碱性电解槽、PEM电解槽、SOEC电解槽技术对比

艾邦 2024-09-24

电解槽是一种利用直流电将水分解为氢气和氧气的设备，主要由阳极和阴极小室组成。在阳极小室生成氧气，而阴极小室则产生氢气。该设备的核心要求是生产高纯度的氢气，同时具备低能耗、结构简单、维护方便、长使用寿命及高材料利用率等特点。

一、电解槽简介

电解槽的关键组件包括电极、隔膜、绝缘材料和电解液。目前，我国的电解水制氢设备广泛应用于光伏、风电等可再生能源领域，作为制氢的主要技术路线。这种技术不仅支持能源的可持续发展，还为清洁能源转换提供了有效解决方案。

1、碱性电解槽（AEC/ALK）

碱性电解水制氢是指在碱性电解质环境下进行电解水制氢的过程，电解质一般为30%质量浓度的KOH溶液或者26%质量浓度的NaOH溶液。碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和BOP辅助系统。

其中，碱性电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成。

在碱性电解槽中，水分子在阴极得电子形成氢气和氢氧根离子，氢氧根离子通过隔膜到达阳极后，在电压作用下生成氧气和水。反应式如下。

阴极：4e^-+ 2H₂O → H₂+ 2OH^-

阳极：4OH^- → O₂+ 2H₂O + 4e^-

电极、隔膜和密封垫片是碱性电解槽的关键材料。电极通常采用镍网或泡沫镍，其性能对电流密度和电解效率有决定性影响，其成本约占系统成本的28%。

隔膜起到阻隔氢气、氧气的作用，位于阴极板与阳极板中间，它保证氢气和氧气分子不能通过隔膜，但允许电解液离子通过，能够耐高浓度碱液的腐蚀，同时具有较好的机械强度，能够长时间承受电解液和生成气体的冲击。

为保证电解槽的密封性能，防止电解液泄露，同时解决极片之间的绝缘问题，在极板和隔膜之间使用密封垫，垫圈采用耐腐蚀、绝缘性好、性能稳定的橡胶产品（如EPDM橡胶）制作，其绝缘性能对电解效率、安全、系统使用寿命均有影响。

2、质子交换膜电解槽（PEMEC）

PEM电解槽是PEM电解水制氢装置的核心部分。电解槽的最基本组成单位是电解池。取决于功率的大小，一个PEM电解槽包含数十甚至上百个电解池。

其主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、气体扩散层和双极板等。其中催化层和质子交换膜组成膜电极，是整个电解槽物料传输以及电化学反应的主场所，膜电极特性与结构直接影响PEM电解槽的性能和寿命。

在PEM电解槽中，水通过双极板进入气体扩散层，再到达质子交换膜。施加电流和电压后，水分解为质子和氧离子，氧离子释放电子形成氧气，通过阳极管输出。质子穿过质子膜至阴极，与电子结合生成氢气，通过阴极管输出至水气分离器。

阳极：H₂O → 2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^-

阴极：2H⁺ + 2e^- → H₂

质子交换膜：PEM电解槽中，质子交换膜是关键部件之一，负责质子的传递和气体隔离，防止氢气与氧气混合。这种膜需具备高质子传导率、优秀气密性和低电子传导率，同时须抗强酸腐蚀，保证设备的高效运行和长期稳定性。

催化层：PEM电解槽使用贵金属如铂和氧化铱作为阴、阳极催化剂，这些材料具有良好的抗腐蚀性、催化活性和电子传导性，保证了电解过程的高效性和稳定性。非贵金属材料在此环境下易受腐蚀，影响系统性能。

气体扩散层：作为连接双极板和催化剂层的桥梁，气体扩散层确保气体和液体的有效传输，并提供必要的电子传导。其设计需考虑孔隙率和导电性，以优化气体流动和电子传递效率。

双极板：双极板在PEM电解槽中兼具支撑和导电的功能，分别汇流阴极的氢气和阳极的氧气，同时传导电子。双极板需具有高机械稳定性、化学稳定性和良好的导电性，以确保气体的有效分离和电流的顺畅传导。

3、固体氧化物电解池（SOEC）

SOEC是以固体氧化物陶瓷为电解质材料，在高温条件下实现电解水制氢的装置。主要由陶瓷材料组成，不需要贵金属，也不存在常规碱性电解的腐蚀问题。

陶瓷材料机械强度较好，如果在较高压力下运行，可以进一步提高制氢效率。此外，根据不同的热能来源，高温电解水蒸气制氢的规模和工作温度可以灵活调整。

（SOEC电解器，Topsoe）

SOEC H₂生产系统的主要组件包括串联的 SOEC 堆栈和平衡装置 (BOP)。BOP 包括水泵、热交换器、蒸汽发生器等。水在一系列热交换器中被加热，以从 SOEC 出口气流中回收热量。预热水被引入蒸汽发生器产生蒸汽，然后进入电加热器使蒸汽过热。

在电解槽中，蒸汽在 650°C~1000°C 的温度下在阴极分解，形成 H2 分子和氧离子。氧离子从阴极迁移到阳极，通过析氧反应变成氧气，后从阳极流出；而 H2 与蒸汽混合物沿着电解质流动，在电解槽下游，富含 H2 的产品流在与入口流进行热交换后被冷却，通过分离器将 H2 从冷凝水流中分离出来。

阴极：2H₂O + 4e^- → 2H₂ + 2O₂^-

阳极：2O₂^- → O₂ + 4e^-

高温热激活氧化物离子迁移并促进两个电极上的电化学反应，提高了整体效率。

固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解电池（SOEC）的电化学反应，SOEC 从根本上说是固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的反向对应物。

二、电解槽对比

电解水制氢技术中，以上三种电解槽各有特点。碱性电解槽（AEC）以其稳定的高制氢速度（2000 m³/h）以及较长的寿命（200000小时）为优势，适用于大规模氢气生产，且其成本较低，目前是最成熟且经济性较高的制氢方法之一。

质子交换膜电解槽（PEMEC）则具有快速的启动时间、较高的电流密度以及较高的电堆效率（70%-77%），而由于其需在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，设备对于价格昂贵的金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，投资成本较高，适合需要快速响应的小型应用。目前国内PEM技术还处于商业化初期，PEMEC发展和国外水平仍然存在一定差距。

固体氧化物电解槽（SOEC）在高温条件下工作（700-1000℃），提供了的电堆效率最高（90%-100%），且其能耗相较AEC和PEMEC最低，尽管其制氢速度和寿命不及AEC，但它负荷可调节范围大，在效率和能耗方面表现出色，适合高效率要求的场景。然而，这种电解槽的投资和维护成本相对较高，因此需要综合考虑经济效益和应用需求，目前该技术还处于研发和示范阶段，未进行商业化应用。